JP5970946B2 - 水中作業支援システム及び水中作業支援方法 - Google Patents

Description

本発明は、水中作業支援システム及び水中作業支援方法に関する。

護岸工事等で行われる水中でのコンクリート製ブロックの設置作業やケーソン基礎部の張石作業では、水中での資材の搬送を船上のクレーンで行うが、その際、水中作業員（潜水士）が手作業で吊荷を設置場所まで誘導している（例えば、非特許文献１〜３参照）。

「港湾工事安全施工指針」，昭和５８年３月初版発行，監修 運輸省港湾局，編集 港湾工事安全施工指針編集委員会（（社）日本埋立浚渫協会），発行所 社団法人日本埋立浚渫協会，２４８〜２４９頁 「海洋工事安全施工ＫＹＴシート集」（刊０１８号改３），平成１７念３月発行，編集 海洋開発工事安全公害対策本部，発行 海洋開発工事安全公害対策本部・社団法人日本土木工業協会・社団法人日本埋立浚渫協会・社団法人日本海洋開発建設協会・社団法人日本鉄道建設業協会，９９〜１００頁 「港湾空港技術研究所資料 Ｎｏ．１２２２」，２０１０年１２月発行，編集兼発行人 独立行政法人港湾空港技術研究所，発行所 独立行政法人港湾空港技術研究所，５〜６頁

水中作業員による水中での吊荷の誘導作業は、地上とは異なり浮力の影響で反力を取り難く、また、潮流の影響を受けることから難作業となっており、作業時間が増加し、施工効率が上がらない等の問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水中作業員による水中作業を支援することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る水中作業支援システムは、水中作業員によって操作される操作部と、該操作部が操作されると操作情報を可視光で送信する水中作業員側の可視光送信部とを備え、水中作業員によって所持される水中作業員用機器と、水中で吊荷の旋回角度を調整する水中吊荷旋回装置に設けられ、前記水中作業員側の可視光送信部から可視光で送信された前記操作情報を受信する前記水中吊荷旋回装置側の可視光受信部と、前記水中吊荷旋回装置に設けられ、前記水中吊荷旋回装置側の可視光受信部が受信した前記操作情報に基づいて前記水中吊荷旋回装置を制御する機械制御部とを備える。

前記水中作業支援システムにおいて、前記水中作業員用機器は、可視光で送信された情報を受信する水中作業員側の可視光受信部と、水中作業員が発した声を拾い音声情報を生成する防水マイクと、前記水中作業員側の可視光受信部が可視光で受信した情報に基づいて骨伝導により水中作業員に音声を伝える骨伝導スピーカーとを備えてもよく、前記水中作業員側の可視光送信部は、前記防水マイクが生成した前記音声情報を、他の前記水中作業員用機器が備える前記水中作業員側の可視光受信部へ可視光で送信してもよい。

前記水中作業支援システムにおいて、前記水中吊荷旋回装置に設けられ、前記水中吊荷旋回装置の作動状態情報を可視光で送信する前記水中吊荷旋回装置側の可視光送信部を備えてもよく、前記水中作業員用機器は、前記水中吊荷旋回装置側の可視光送信部から可視光で送信された前記作動状態情報を受信する作業員側の可視光受信部と、前記作業員側の可視光受信部が可視光で受信した前記作動状態情報を水中作業員に通知する通知部と、を備えてもよい。

また、本発明に係る水中作業支援方法は、水中作業員に、操作部と、該操作部が操作されると操作情報を可視光で送信する可視光送信部とを備える機器を所持させ、水中で吊荷の旋回角度を調整する水中吊荷旋回装置に、前記可視光送信部から可視光で送信された前記操作情報を受信する可視光受信部を設置し、前記水中吊荷旋回装置を、前記可視光受信部が受信した前記操作情報に基づいて制御するものである。

本発明によれば、水中作業員による水中作業を支援することができる。

一実施形態に係る水中作業支援システムの概略を示す図である。 水中作業員が所持する通信機器の構成を示す図である。 水中作業員が所持する通信機器の構成を示すブロック図である。 起重機船に設置される通信機器の構成を示すブロック図である。 水中吊荷旋回装置に設置される通信機器の構成を示すブロック図である。 水中吊荷旋回装置の内部構造を示す斜視図である。 水中吊荷旋回装置の動作の原理を説明するための図である。 水中吊荷旋回装置の動作の原理を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る水中作業支援システム１０の概略を示す図である。この図に示すように、水中作業支援システム１０は、水中可視光通信によって、水中作業員１と水中吊荷旋回装置１００との間、水中作業員１同士の間、及び水中作業員１と起重機船２の船員との間の双方向通信を可能にしたものであり、水中作業員１による水中吊荷旋回装置１００の遠隔操作を可能にしたものである。

水中吊荷旋回装置１００は、起重機船２のクレーン３からワイヤー４で水中に吊り下げられ旋回して吊荷の水中での旋回角度を調整する機械である。本実施形態では、水中吊荷旋回装置１００は、消波ブロックや被覆ブロック等のコンクリート製ブロック５の旋回角度を調整するのに用いられる。なお、対象制御物は前述の吊荷に限定されない。水中内の金属製構築物・機械装置・核燃料についても水中内での取付・撤去作業時における旋回角度の調整が可能である。

水中作業支援システム１０は、水中作業員１が所持する通信機器２０と、起重機船２に設置される通信機器３０と、水中吊荷旋回装置１００に設置される通信機器４０と、クレーン３のブームの先端に設置されるＧＰＳ受信機５０とを備えている。起重機船２に設置される通信機器４０とＧＰＳ受信機５０とは有線で接続されており、クレーン３のブームの先端の位置情報すなわちブームの先端から吊り下げられた水中吊荷旋回装置１００の位置情報や時刻情報等が通信機器４０に受信される。

図２は、水中作業員１が所持する通信機器２０の構成を示す図であり、図３は、該通信機器２０の構成を示すブロック図である。これらの図に示すように、通信機器２０は、水中作業員１が手で持つ端末２０１に設けられた送信機２１、受信機２２、光波−音声信号変換装置２３、機械操作リモコン２４と、水中作業員１が装着するフルフェイス型水中マスク２０２に設けられた防水マイク２６及び骨伝導スピーカー２７と、バッテリー２５とを備えている。端末２０１と防水マイク２６と骨伝導スピーカー２７とは電力ケーブル２８で接続されており、端末２０１、防水マイク２６、及び骨伝導スピーカー２７は、バッテリー２５から電源を供給されて駆動される。

防水マイク２６は、水中作業員１の口の近傍に配されており、水中作業員１が発した音声を拾い、電気信号に変換して光波−音声信号変換装置２３へ出力する。また、骨伝導スピーカー２７は、水中作業員１の頭部の近傍に配されており、光波−音声信号変換装置２３から送信された音声信号に基づいて骨伝導を発生させ、水中作業員１に音声を伝える。

送信機２１は、発行ダイオード（ＬＥＤ）を備えており、光波−音声信号変換装置２３又は機械操作リモコン２４から受信した光波信号又は操作信号に応じてＬＥＤの点滅を制御し、４値パルス位置変調（４ＰＰＭ）方式、サブキャリア（副搬送波）方式等の公知の変調方式を用いて光信号の生成・送信を行う。受信機２２は、フォトダイオード（ＰＤ）を備えており、他の水中作業員１が所持する通信機器２０の送信機２１等から送信されＰＤが受信した光信号を電気信号に変換し、光波−音声信号変換装置２３へ送信する。

機械操作リモコン２４は、水中吊荷旋回装置１００を遠隔操作するための操作ボタンとして、吊荷の旋回を指示するための旋回ボタン、吊荷の旋回を停止させるためのストップボタン等を備えている。この機械操作リモコン２４は、旋回ボタンやストップボタンが操作されると、操作信号を送信機２１へ出力する。

光波−音声信号変換装置２３は、防水マイク２６から送信された音声信号を光波信号に変換して送信機２１へ出力し、受信機２２から送信された電気信号（光波信号）を音声信号に変換して骨伝導スピーカー２７へ出力する。

図４は、起重機船２に設置される通信機器３０の構成を示すブロック図である。この図に示すように、通信機器３０は、起重機船２の船体に設置される端末３０１と、端末３０１に有線で接続され船上に設置される端末３０２とを備えている。端末３０１には、送信機３１、受信機３２、及び光波−音声信号変換装置３３が備えられ、端末３０２には、マイク３４及びスピーカー３５とが備えられている。端末３０１、３０２は、これらに搭載されたバッテリー又は起重機船２に搭載された電源装置から電源を供給されて駆動される。

送信機３１は、水中作業員１が所持する通信機器２０の受信機２２のＰＤとの間で水中可視光通信を行うためのＬＥＤを備え、受信機３２は、通信機器２０の送信機２１のＬＤとの間で水中可視光通信を行うためのＰＤを備えている。送信機３１は、ＧＰＳ受信機５０から受信した水中吊荷旋回装置１００の位置情報や時刻情報、又は、光波−音声信号変換装置３３から送信された光波信号を通信機器２０の受信機２２へ送信する。受信機３２は、通信機器２０の送信機２１から受信した光波信号を光波−音声信号変換装置３３へ送信する。

光波−音声信号変換装置３３は、マイク３４から受信した音声信号を光波信号に変換して送信機３１へ送信し、受信機３２から受信した光波信号を音声信号に変換してスピーカー３５へ送信する。

図５は、水中吊荷旋回装置１００に設置される通信機器４０の構成を示すブロック図である。この図に示すように、通信機器４０は、水中吊荷旋回装置１００の機体に設置されており、送信機４１、受信機４２、光波−制御信号変換装置４３、及び機械制御回路４４が備えられている。

送信機４１は、水中作業員１が所持する通信機器２０の受信機２２のＰＤとの間で可視光通信を行うためのＬＥＤを備え、受信機４２は、通信機器２０の送信機２１のＬＤとの間で可視光通信を行うためのＰＤを備えている。送信機４１は、光波−制御信号変換装置４３から受信した光波信号を通信機器２０の送信機２１へ送信する。また、受信機４２は、通信機器２０の送信機２１から受信した光波信号を光波−制御信号変換装置４３へ送信する。

光波−制御信号変換装置４３は、受信機４２から受信した光波信号を制御信号に変換して機械制御回路４４へ送信し、機械制御回路４４から受信した信号を光波信号に変換して送信機４１へ送信する。そして、機械制御回路４４は、光波−制御信号変換装置４３から受信した制御信号に基づいて水中吊荷旋回装置１００の旋回及び旋回停止を制御する。また、機械制御回路４４は、水中吊荷旋回装置１００の旋回角度を示す信号を光波−制御信号変換装置４３へ送信する。

図６は、水中吊荷旋回装置１００の内部構造を示す斜視図である。この図に示すように、水中吊荷旋回装置１００は、直方体状のフレーム１１２と、フレーム１１２内に設置されたジンバルユニット１２０及びフライホイルユニット１３０とを備えている。ジンバルユニット１２０は、ジンバル１２２とジンバル用モータ１２４とを備える。ジンバル１２２は、長方形状のフレームであり、水平に設定された回転軸１２１の周りに回転可能にフレーム１１２に支持されている。また、ジンバル用モータ１２４は、フレーム１１２に支持され、ジンバル１２２を回転軸１２１の周りに回転させる。

また、フライホイルユニット１３０は、フライホイル１３２とフライホイル用モータ１３４とを備える。フライホイル１３２は、回転軸１２１と直交するように設定された回転軸１３１の周りに回転可能にジンバル１２２に支持されている。また、フライホイル用モータ１３４は、ジンバル１２２に支持され、フライホイル１３２を回転軸１３１の周りに高速で回転させる。

図７及び図８は、水中吊荷旋回装置１００の動作の原理を説明するための図である。図７に示すように、水中吊荷旋回装置１００では、フライホイル１３２が、回転軸１３１の周りに高速で回転し、ジンバル１２２が、回転軸１３１と直交する回転軸１２１を支点としてフライホイル１３２を傾動させることにより、回転軸１２１及び回転軸１３１と直交するモーメント軸１１１の周りにジャイロモーメントＭが発生する。水中吊荷旋回装置１００は、フライホイル１３２とジンバル１２２とにより発生されたジャイロモーメントＭを受けて鉛直軸の周りに回転し、吊荷としてのコンクリート製ブロック５（図１参照）を鉛直軸の周りに旋回させる。

そして、図８に示すように、水中吊荷旋回装置１００では、ジンバル１２２を回転させてフライホイル１３２の回転軸１３１を鉛直に、モーメント軸１１１を水平にすることにより、コンクリート製ブロック５に作用する鉛直軸の周りのトルクが消失する。これにより、旋回していたコンクリート製ブロック５が停止する。

ここで、コンクリート製ブロック５を旋回させるトルクＴは、下記（１）式で示すように、フライホイル１３２の慣性モーメントＩｆ、フライホイル１３２の角速度ωｆ、ジンバル１２２の角速度ωｇに比例する。なお、θは、フライホイル１３２の傾斜角度である。
Ｔ＝Ｉｆ×ωｆ×ωｇ×ｃｏｓθ ・・・（１）

以下、水中作業支援システム１０を用いた水中でのコンクリート製ブロック５の設置作業について説明する。図１に示すように、水中作業員１は、自身が所持する通信機器２０の機械操作リモコン２４（図２及び図３参照）を操作して水中可視光通信により水中吊荷旋回装置１００を遠隔操作する。ここで、水中作業員１により機械操作リモコン２４が操作されると、通信機器２０の送信機２１から、水中吊荷旋回装置１００に設置された通信機器４０の受信機４２へ可視光による光波信号が送信され、該光波信号が光波−制御信号変換装置４３で制御信号に変換される（図３参照）。そして、該制御信号を受信した機械制御回路４４によって、水中吊荷旋回装置１００が旋回されたり旋回が停止されたりする。

また、図１に示すように、水中吊荷旋回装置１００が遠隔操作されている際には、水中吊荷旋回装置１００の旋回角度や旋回方向などの作動状態情報が、水中可視光通信により水中作業員１に音声で伝えられる。ここで、水中吊荷旋回装置１００が遠隔操作されている際には、水中吊荷旋回装置１００の作動状態情報を示す信号が、機械制御回路４４から光波−制御信号変換装置４３に送信され、該信号が、光波−制御信号変換装置４３で光波信号に変換されて、可視光による該光波信号が、送信機４１から通信機器２０の受信機２２へ送信される（図３及び図５参照）。そして、該光波信号が、光波−音声信号変換装置２３で音声信号に変換されて骨伝導スピーカー２７に送信され、骨伝導スピーカー２７が、受信した音声信号を振動に変換し、骨伝導により水中作業員１の聴覚器官に伝える。

また、図１に示すように、起重機船２の船員と水中作業員１との間で水中可視光通信が行われる。ここで、起重機船２の船員が発した声は、起重機船２に設置された通信機器３０のマイク３４で拾われ、マイク３４から光波−音声信号変換装置３３に音声信号が送信され、該音声信号が、光波−音声信号変換装置３３により光波信号に変換される（図４参照）。そして、可視光による該光波信号が、送信機３１から通信機器２０の受信機２２へ送信され、該光波信号が、光波−音声信号変換装置２３で音声信号に変換されて骨伝導スピーカー２７に送信され、骨伝導スピーカー２７が、受信した音声信号を振動に変換し、骨伝導により水中作業員１に伝える。

また、水中作業員１が発した声は、水中作業員１が所持した通信機器２０の防水マイク２６により拾われ、防水マイク２６から光波−音声信号変換装置２３に音声信号が送信され、該音声信号が、光波−音声信号変換装置２３により光波信号に変換される。そして、可視光による該光波信号が、送信機２１から通信機器３０の受信機３２へ送信され、該光波信号が、光波−音声信号変換装置３３で音声信号に変換されてスピーカー３５に送信され、スピーカー３５が、受信した音声信号を振動に変換し、船員に伝える。

また、起重機船２に設置された通信機器３０と水中作業員１が所持した通信機器２０との間では、通信機器３０がＧＰＳ受信機５０から送信された水中吊荷旋回装置１００の位置情報や時刻情報についての水中可視光通信が行われる。ここで、通信機器３０の送信機３１は、所定時間間隔おきに、ＧＰＳ受信機５０から受信した情報を可視光による光波信号として通信機器２０の受信機２２へ送信する。受信機２２に送信された光波信号は、光波−音声信号変換装置２３で音声信号に変換されて骨伝導スピーカー２７に送信され、骨伝導スピーカー２７が、受信した音声信号を振動に変換し、骨伝導により水中作業員１に伝える。

また、図１に示すように、水中作業員１と水中作業員１との間で音声情報の水中可視光通信が行われる。ここで、水中作業員１が発した声は、通信機器２０の防水マイク２６で拾われ、防水マイク２６から光波−音声信号変換装置２３に音声信号が送信され、該音声信号が、光波−音声信号変換装置２３により光波信号に変換される（図３参照）。そして、可視光による該光波信号が、発声した水中作業員１の通信機器２０の送信機２１から他の水中作業員１の通信機器２０の受信機２２へ送信され、該光波信号が、光波−音声信号変換装置２３で音声信号に変換されて骨伝導スピーカー２７に送信され、骨伝導スピーカー２７が、受信した音声信号を振動に変換し、骨伝導により他の水中作業員１に伝える。

以上説明したように、本実施形態に係る水中作業支援システム１０では、護岸工事におけるコンクリート製ブロック５の設置作業を、水中作業員１が可視光通信により水中吊荷旋回装置１００を遠隔操作することによって行う。これによって、水中作業員１による水中でのコンクリート製ブロック５の誘導作業を容易化することができ、作業時間を短縮でき、施工効率を向上させることができる。

また、本実施形態に係る水中作業支援システム１０では、防水マイク２６により作業員１が発した声が拾われ、防水マイク２６が拾得した音声情報が、可視光通信により他の作業員１が所持する通信機器２０に送信され、他の水中作業員１の通信機器２０において骨伝導スピーカー２７により他の水中作業員１に伝えられる。これにより、水中作業員１間での連絡が可能となり、水中作業員１による作業の効率をより一層向上させることができる。

また、本実施形態に係る水中作業支援システム１０では、水中吊荷旋回装置１００の動作状態が可視光通信により水中作業員１が所持する通信機器２０に送信され、骨伝導スピーカー２７により水中作業員１に伝えられる。これにより、水中作業員１は水中吊荷旋回装置１００を、その動作状態を確認しながら操作することができるため、水中作業員１による水中吊荷旋回装置１００の操作性を向上させることができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、上述の各実施形態では、水中で建設作業を行う機械として、水中吊荷旋回装置１００を例に挙げて本発明を説明したが、水中バックホー等の他の水中で建設作業を行う機械を用いる場合にも本発明を適用できる。また、骨伝導スピーカー２７により水中作業員１に情報を伝えるようにしたが、表示装置に情報を表示させることにより水中作業員１に情報を伝えるようにしてもよい。

１ 水中作業員、２ 起重機船、３ クレーン、４ ワイヤー、５ コンクリート製ブロック（吊荷）、１０ 水中作業支援システム、２０ 通信機器（水中作業員用機器、機器）、２１ 送信機（水中作業員側の可視光送信部）、２２ 受信機（水中作業員側の可視光受信部）、２３ 光波−音声信号変換装置、２４ 機械操作リモコン（操作部）、２５ バッテリー、２６ 防水マイク、２７ 骨伝導スピーカー、２８ 電力ケーブル、２０１ 端末、２０２ フルフェイス型水中マスク、３０ 通信機器、３１ 送信機、３２ 受信機、３３ 光波−音声信号変換装置、３４ マイク３４ スピーカー、３０１、３０２ 端末、４０ 通信機器、４１ 送信機（機械側の可視光送信部）、４２ 受信機（機械側の可視光受信部）、４３ 光波−制御信号変換装置、４４ 機械制御回路（機械制御部）、５０ ＧＰＳ受信機、１００ 水中吊荷旋回装置（水中で建設作業を行う機械）、１１１ モーメント軸、１１２ フレーム、１２０ ジンバルユニット、１２１ 回転軸、１２２ ジンバル、１２４ ジンバル用モータ、１３０ フライホイルユニット、１３１ 回転軸、１３２ フライホイル、１３４ フライホイル用モータ

Claims (4)

1. 水中作業員によって操作される操作部と、該操作部が操作されると操作情報を可視光で送信する水中作業員側の可視光送信部とを備え、水中作業員によって所持される水中作業員用機器と、
   水中で吊荷の旋回角度を調整する水中吊荷旋回装置に設けられ、前記水中作業員側の可視光送信部から可視光で送信された前記操作情報を受信する前記水中吊荷旋回装置側の可視光受信部と、
   前記水中吊荷旋回装置に設けられ、前記水中吊荷旋回装置側の可視光受信部が受信した前記操作情報に基づいて前記水中吊荷旋回装置を制御する機械制御部と、
   を備える水中作業支援システム。
2. 前記水中作業員用機器は、
   可視光で送信された情報を受信する水中作業員側の可視光受信部と、
   水中作業員が発した声を拾い音声情報を生成する防水マイクと、
   前記水中作業員側の可視光受信部が可視光で受信した情報に基づいて骨伝導により水中作業員に音声を伝える骨伝導スピーカーと、
   を備え、
   前記水中作業員側の可視光送信部は、前記防水マイクが生成した前記音声情報を、他の前記水中作業員用機器が備える前記水中作業員側の可視光受信部へ可視光で送信する請求項１に記載の水中作業支援システム。
3. 前記水中吊荷旋回装置に設けられ、前記水中吊荷旋回装置の作動状態情報を可視光で送信する前記水中吊荷旋回装置側の可視光送信部を備え、
   前記水中作業員用機器は、
   前記水中吊荷旋回装置側の可視光送信部から可視光で送信された前記作動状態情報を受信する作業員側の可視光受信部と、
   前記作業員側の可視光受信部が可視光で受信した前記作動状態情報を水中作業員に通知する通知部と、
   を備える請求項１に記載の水中作業支援システム。
4. 水中作業員に、操作部と、該操作部が操作されると操作情報を可視光で送信する可視光送信部とを備える機器を所持させ、
   水中で吊荷の旋回角度を調整する水中吊荷旋回装置に、前記可視光送信部から可視光で送信された前記操作情報を受信する可視光受信部を設置し、
   前記水中吊荷旋回装置を、前記可視光受信部が受信した前記操作情報に基づいて制御する水中作業支援方法。